Biologie cellulaire
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Biologie De l'œil au cerveau L’œil permet la réception d'une image et transmet un message au cerveau. Il est constitué de structures particulières : certaines sont transparentes et laissent passer la lumière, d'autres analysent l'image reçue. Les êtres humains dont la vision des couleurs est considérée comme normale sont capables de percevoir 15 000 nuances. Certains individus sont atteints de daltonisme, maladie génétique qui entraîne des perturbations au niveau de la vision des couleurs. L’Homme partage avec d’autres animaux comme les Primates, une vision du monde en couleurs. I. L'œil, un organe spécialisé dans la perception de la lumière : L’œil est un organe sensoriel spécialisé dans la vision. Les rayons lumineux traversent une grosse lentille : le cristallin et finissent leur trajet sur la rétine. La rétine a un rôle dans la perception des images. 1. Structure de l’œil L’œil humain est une sphère d’environ 2,5 cm dont seule une petite partie est visible. Le reste est entouré de graisse et se situe dans l’orbite. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! L’œil possède un système de protection : -les sourcils (lumière et gouttes de sueurs) -les paupières mobiles (par clignement réflexe) protègent l’œil des corps étrangers et prévient la dessiccation. -les sécrétions (mucus, larmes) se répandent sur la surface du globe oculaire. -la glande lacrymale située à l’intérieur de l’orbite, libère une solution saline, les larmes (contiennent du mucus, des anticorps et une enzyme antibactérienne) elles protègent, nettoient, humectent et lubrifient la surface de l’œil. Chez les Vertébrés, l'œil est limité par trois enveloppes emboîtées qui sont : -La sclérotique qui est une enveloppe blanche, opaque et résistante. A l’avant, elle est transparente et forme la cornée qui est bombée. -la choroïde fortement vascularisée, elle tapisse la sclérotique. Elle est prolongée par l’iris (dont la couleur peut varier d’un individu à l’autre). L’iris présente une ouverture, la pupille (le diamètre peut varier : en modifiant ses dimensions elle régule l’entrée de la lumière dans l’œil). -la rétine est l’enveloppe interne de l’œil, son prolongement forme le nerf optique. Riche en vaisseaux sanguins qui partent d’un point : le point aveugle, c’est un endroit où le nerf optique sort de l’œil. Dans l’axe optique de l’œil, se trouve la macula ou tache jaune. Au centre de la macula se trouve la fovéa, zone de la rétine où la vision des détails est la plus précise. A l’intérieur du globe oculaire, se trouvent : -Le cristallin : de forme biconvexe, il peut se déformer légèrement grâce à l’action de petits muscles. -L’humeur aqueuse : entre le cristallin et la cornée. Sa composition est voisine de celle du plasma sanguin. -L’humeur vitrée (gélatineuse) : entre le cristallin et la rétine. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! 2. Le cristallin, une lentille vivante a. Structure du cristallin Le cristallin est un organe qui laisse passer la lumière. Il est formé de cellules vivantes de forme allongée appelées fibres, dont la disposition et la structure sont particulières. Ces cellules sont disposées en couches concentriques superposées. En section transversale, elles apparaissent comme hexagonales et juxtaposées. Tout au long de la vie de l’individu, ces cellules ne sont jamais remplacées, mais de nouvelles cellules se forment et s’ajoutent en périphérie. Le cristallin doit sa transparence à une structure et à un fonctionnement particulier des cellules qui le constituent. Ces cellules ne contiennent ni noyau, ni aucun organites, elles ne possèdent plus que leur membrane plasmique et leur cytoplasme. Elles renferment des protéines, les cristallines dont l’organisation permet la transparence. Le cristallin n’est pas vascularisé et les nutriments cellulaires proviennent de l’humeur aqueuse. Elles assurent donc en permanence des échanges essentiels à leur nutrition et à l’évacuation de leurs déchets. Les modalités de ce renouvellement sont indispensables à la transparence du cristallin. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! b. Propriétés du cristallin Le cristallin est une lentille biconvexe soutenue par des ligaments suspenseurs et des muscles ciliaires. Les muscles ciliaires sont relâchés lorqu’un objet est éloigné et contractés lorsque l’objet est rapproché. Ces particularités donnent au cristallin les propriétés d'une lentille convergente variable grâce à l'action de muscles ciliaires qui modifient sa courbure et permettent l’accommodation. Par exemple, pour faire la mise au point sur un objet rapproché, le cristallin devient presque sphérique : c’est une lentille vivante biconvexe souple et déformable. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! c. Les altérations du cristallin Les cellules du cristallin ont une longévité exceptionnelle. Avec l'âge leurs propriétés s'altèrent. o Les altérations de forme du cristallin La myopie : le cristallin est trop bombé, donc trop convergent, et les rayons lumineux se rencontrent devant la rétine (l’œil myope est souvent trop long, mais peut être un œil normal dont le cristallin est trop convergent). L’image se forme donc en avant de la rétine, ce qui entraîne une vision floue de loin tandis que la vision de près reste bonne. Ce défaut peut être corrigé par une opération au laser qui permet d’éliminer certaines couches du cristallin. o En vieillissant, les cellules du cristallin deviennent moins élastiques. La souplesse du cristallin diminue et perd sa faculté à prendre une forme bombée nécessaire dans le cas de la vision rapprochée. L’accommodation ne se faisant plus, les objets rapprochés sont flous : c'est la presbytie. o L'hypermétropie : L'image se forme en arrière de la rétine (c'est l'opposé de la myopie). Vision floue de près tandis qu'elle reste bonne de loin. o L'astigmatisme : C’est une anomalie de vision due à une inégalité de la courbure de la cornée ou du cristallin. Les images apparaissent en même temps à l’avant et à l’arrière de la rétine, d’où une vision floue et déformée. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! Les altérations de la transparence du cristallin : la cataracte La cataracte résulte d’une opacification partielle ou totale du cristallin. Elle se caractérise par une baisse progressive de la vue et une gêne à la lumière. La transparence du cristallin diminue, car le renouvellement du contenu cellulaire est perturbé (les cellules du cristallin sont dans l’incapacité presque totale de se réparer, puisqu’elles sont notamment incapables de fabriquer de nouveaux ARN messagers, ce qui entraine une altération de la perception de la luminosité et des couleurs) : c'est la cataracte. Les cellules du cristallin reçoivent les éléments nécessaires à leur métabolisme des humeurs vitrée et aqueuse. Elles possèdent dans leur membrane des canaux capables de laisser passer ces éléments : ce sont les aquaporines qui permettent le passage de l’eau. En cas de cataracte, les aquaporines subissent une réorganisation perturbant leur fonctionnement. 3. La rétine, un organe photorécepteur a. La structure de la rétine La rétine est située au fond de l’œil et fait en réalité partie du cerveau. Elle comporte 100 à 110 millions de photorécepteurs sensibles aux variations de l’intensité lumineuse qui les frappent. C’est la membrane sensible de l'œil où se forme l'image d'un objet. Elle est constituée de 3 couches cellulaires que l’on peut distinguer grâce aux noyaux des cellules : -couche des photorécepteurs (récepteurs sensoriels de la vision). -couche des neurones bipolaires. -couche des neurones multipolaires (ou ganglionnaires dont les prolongements forment les fibres du nerf optique). La couche des photorécepteurs contient 2 types de cellules de forme différente : -les cônes (5 millions environ) -les bâtonnets (100 millions environ) www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! b. Les photorécepteurs rétiniens Les bâtonnets et les cônes sont des photorécepteurs dont la répartition est variable suivant les endroits de la rétine. Le point aveugle est dépourvu de photorécepteurs. La rétine périphérique est riche en bâtonnets. Les bâtonnets sont sensibles à de faibles intensités lumineuses, mais ne permettent pas de distinguer les couleurs. Ils sont mis en jeu dans des conditions de faible luminosité. La vision des couleurs nécessite une intensité lumineuse suffisante. Elle mobilise la région centrale de la rétine (au niveau de la fovéa), riche en cônes. Les cônes sont moins sensibles à la lumière, mais permettent de distinguer les couleurs. Ils permettent également une vision précise. Les bâtonnets sont les seules cellules impliquées dans la vision crépusculaire et nocturne. Les cônes qui nous permettent de distinguer les couleurs ne sont pas stimulés dans ces circonstances. C’est pour cette raison qu’au crépuscule tous les objets nous apparaissent bleutés, grisés. Les animaux nocturnes ont des rétines riches en bâtonnets (chauves-souris, chouettes). Les cônes et les bâtonnets (cellules photoréceptrices) sont formés : -d’un segment interne, qui contient les organites habituels d'une cellule, -d’un segment externe, qui est constitué d'un empilement de membranes formant des disques, dans lesquels est incorporé un pigment rétinien photosensible contenant une protéine l’opsine. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! La rétine humaine contient : -trois types de cônes, contenant chacun un pigment différent : opsine S, l’opsine M, l’opsine L. Chacun présente un maximum de sensibilité pour une longueur d’onde donnée. Ils participent à la vision des couleurs mais sont beaucoup moins sensibles à la lumière que les bâtonnets. -un seul type de bâtonnet, ils contiennent tous le même pigment la rhodopsine qui absorbe toutes les longueurs d'onde du spectre de la lumière visible (avec cependant un maximum vers 500 nm). Les messages nerveux provenant des bâtonnets sont donc perçus en noir et blanc. La lumière modifie un pigment rétinien des cônes et des bâtonnets, ce qui permet la création de messages nerveux, constitués de signaux électriques, enregistrables au niveau des fibres des cellules ganglionnaires : il y a conversion de l’énergie lumineuse en signaux électriques qui sont acheminés au cerveau par les nerfs optiques. Les opsines, étant des protéines, sont codées par des gènes. Lorsqu’un gène est absent ou non fonctionnel, la perception des couleurs à partir de deux types de pigments seulement n’est pas complètement restituée. c. Une répartition inégale des photorécepteurs La répartition des photorécepteurs dans la rétine n'est pas quelconque. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! La fovéa, zone centrale de la rétine de la taille d'une tête d'épingle, ne comporte que des cônes. Cette zone permet une vision précise (acuité visuelle maximale) et en couleurs (à condition que l'éclairement soit suffisant). C'est la raison pour laquelle, pour une activité de précision comme la lecture, le sujet recherche un bon éclairement et bouge sans arrêt les yeux de façon à diriger les fovéas des deux yeux vers les objets regardés. Vers la périphérie de la rétine, les cônes se raréfient et les bâtonnets sont de plus en plus nombreux : les objets situés à la périphérie du champ visuel sont donc perçus avec une faible acuité et une mauvaise vision des couleurs mais leur détection est possible même si leur luminance est faible : l'œil peut ainsi percevoir la lumière d'une bougie située à 27 km si l'air est limpide. En pratique, c'est le système des cônes qui est mis en jeu dans la vision diurne (le système des bâtonnets est alors saturé). Les bâtonnets n'interviennent que lors de la vision crépusculaire. d. Déterminisme génétique des photorécepteurs Les gènes des opsines humaines sont portés par les chromosomes 3 (rhodopsine des bâtonnets), 7 (opsine S) et X (opsines M et L). Ces gènes dérivent tous d'un même gène ancestral. Ils constituent une famille multigénique issue de duplications. Comme l'Homme, les singes d'Afrique et d'Asie sont trichromates, ils possèdent 3 gènes codants les opsines S, M et L. Ceux d’Amérique sont dichromates, ils ne possèdent que deux opsines (l'une sensible au bleu et l'autre sensible soit au rouge soit au vert) comme d'autres mammifères. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! Quand des espèces partagent une même nouveauté évolutive elles l'ont hérité d'un ancêtre commun qui leur est propre. L'ancêtre commun à l'Homme et aux singes de l'ancien monde est donc plus récent que leur ancêtre commun avec les singes du nouveau monde. e. Anomalies de la rétine Daltonisme Le daltonisme se manifeste par des perturbations de la vision des couleurs. Il est lié à une ou plusieurs mutations sur les gènes codant les opsines ce qui entraîne la défaillance dans la sensibilité à des longueurs d'ondes particulières. On classe les différentes formes de daltonisme en fonction des couleurs distinguées. Les personnes dichromates ont une altération pour la perception des trois couleurs. L’altération de la sensibilité au rouge est nommée protanopie, L’altération de la sensibilité au vert est nommée deutéranopie et celle eu bleu, tritanopie. L'héméralopie Il s’agit d’une cécité nocturne. Elle est généralement due à une carence en vitamine A qui entraîne un déficit en pigments visuels. Les cônes peuvent continuer à fonctionner mais les bâtonnets cessent leur activité, ce qui entraîne une cécité nocturne 4. Autres anomalies de la vision : le glaucome et la DMLA a. Le glaucome C’est une maladie dégénérative du nerf optique qui entraîne une perte progressive de la vision commençant tout d'abord en périphérie et progressant graduellement vers le centre. Cette maladie est souvent associée à une pression intraoculaire élevée qui comprime et endommage les fibres du nerf optique et de la rétine. Le glaucome est dû à un défaut de drainage de l'humeur aqueuse. L'humeur aqueuse est un liquide secrété par le corps ciliaire et en majorité drainé au niveau de l'angle irido-cornéen. Le déséquilibre entre la production d'humeur aqueuse et son drainage va augmenter la pression intraoculaire. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! b. La DMLA = Dégénérescence maculaire liée à l'âge La dégénérescence maculaire liée à l'âge (DMLA) ou dégénérescence maculaire sénile est une maladie de la rétine provoquée par une dégénérescence progressive de la macula, partie centrale de la rétine, qui peut apparaître à partir de l'âge de 50 ans, et plus fréquemment à partir de 65 ans, provoquant un affaiblissement important des capacités visuelles, sans toutefois les anéantir. Les causes précises de cette maladie restent inconnues ; la maladie est probablement polygénique et multifactorielle, avec des facteurs génétiques de prédisposition. Aucun remède n'a pour le moment été trouvé. Les traitements existants permettent seulement de ralentir son évolution. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! II. De la rétine au cerveau C'est à partir de l'image formée sur la rétine qu'une information est transmise par le nerf optique au cerveau, ce dernier est responsable de la perception visuelle. 1. La vision et intégration cérébrale Au sein de la rétine, les photorécepteurs sont connectés à des neurones qui forment les fibres du nerf optique. C'est donc un message nerveux, de nature électrique, qui est acheminé par les deux nerfs optiques jusqu'au cerveau. Sur le trajet des voies visuelles, le croisement partiel des fibres des deux nerfs optiques a une conséquence importante : la moitié (gauche ou droite) du champ visuel est perçue par l'hémisphère cérébral du côté opposé. L'imagerie médicale (IRM) ainsi que l'étude de lésions montre qu'il existe dans le cerveau une zone spécialisée dans la vision. En effet, une région bien localisée du cerveau, située dans la partie occipitale, constitue le point d'entrée des messages nerveux provenant des deux yeux. Ce cortex visuel primaire apparait structuré comme une « carte » du champ de vision : à chaque secteur du champ de vision correspond un territoire du cortex visuel. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! Les messages nerveux provenant de la rétine sont donc propagés par les fibres du nerf optique sous forme de signaux de nature électrique : le message transmis par le nerf est la somme des messages véhiculés dans chaque fibre. Les photorécepteurs convertissent le stimulus lumineux en message nerveux conduit par les fibres des nerfs optiques qui convergent au niveau du chiasma optique. Après un relais synaptique dans les corps genouillés latéraux, le message nerveux est conduit (par une succession de neurones), jusqu'au cortex visuel primaire situé sur le lobe occipital du cerveau. Toute lésion du lobe occipital entraîne une cécité car il contient les aires visuelles qui reçoivent les messages issus de la rétine. Chaque hémisphère reçoit des messages issus de la rétine temporale de l’œil situé du même côté et des messages issus de la rétine nasale du côté opposé. Les communications entre les différentes aires permettent une perception unifiée d’un objet. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! 2. Des substances chimiques qui perturbent la vision Toute perturbation du fonctionnement des synapses sous l’action de substances chimiques a des conséquences sur le fonctionnement des neurones. Certaines substances hallucinogènes perturbent la perception visuelle. Leur action est due à la similitude de leur structure moléculaire avec celle de certains neurotransmetteurs du cerveau auxquels elles se substituent. Des substances comme le LSD perturbent le fonctionnement des aires cérébrales associées à la vision et provoquent des hallucinations. www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation ! III. Apprentissage et plasticité cérébrale La reconnaissance d'un mot écrit nécessite une collaboration entre aires visuelles, mémoire et des structures liées au langage. La lecture met en œuvre le cortex visuel pour la perception des formes, des couleurs, des lettres, mais la compréhension du sens des mots lus, ou encore leur prononciation à voix haute est due à d’autres aires cérébrales telles que l’aire de Wernicke (compréhension des mots) ou l’aire de Broca (prononciation des mots). Mais la lecture fait aussi intervenir d’autres aires cérébrales, notamment celles impliquées dans la mémoire. L’apprentissage est basé sur la plasticité cérébrale. Le cerveau mobilise des réseaux neuronaux pour activer certaines aires cérébrales. En cas de handicap (cécité par exemple), l’aire corticale correspondante ne reste pas inactivée. Elle est remobilisée afin d’être utilisée par d’autres sens (activation des aires visuelles du cortex occipital lors de la lecture d’un texte en braille, reconversion de l’aire visuelle pour interpréter une stimulation tactile). www.coursdiderot.com – [email protected] … à chaque passion sa vocation !
